基于GP-IB总线的加速度计测试系统设计

摘要 通过对当前加速度计测试工序多、操作复杂、易引起误操作的现状分析，为能更好地标定石英挠性加速度计性能参数，设计了基于GPIB总线技术的加速度计测试系统，确定了系统的硬件组成。同时针对石英挠性加速度计反馈信号较弱、精度要求高的特点，设计采用了数字多用表技术，利用其内部抑制噪声和信号处理等技术，实现了加速度计输出微小信号的精确测量。同时，由于加速度计测试样本数据较少，采用两次插值对获得的数据进行处理，扩大了样本容量，解决了小样本难以建模的问题。与现用的测试系统相比较，该测试系统有着技术先进、数据处理与分析能力强等优点，测试结果表明，该测试系统精确稳定，能够满足加速度计标定测试的使用要求。
关键词 加速度计；数据采集；数据处理；GP-IB

加速度计是惯性导航系统中的重要敏感元件，在高精度定位定向系统中，其性能的好坏起着关键作用，为此需对加速度计进行严格的测试。到目前为止，许多加速度计的检测仍然采用人工方法，由多人负责一套测试台，测试数据也由人工读取并记录，这种方法效率低、容易出错，在大批量加速度计的检测过程中，其弊端日益明显。随着自动测试技术、计算机技术日益普及，GPIB(IEEE488)接口和总线技术日趋成熟，GPIB技术逐渐显示出用于针对加速度计测试的适应性，这种传感器具有测试数据采集、数据流量适中、实时性要求较高、具有可扩展性与易用性的特点，测试人员可以方便地通过高级语言编程开发出实用的加速度计自动测试系统。因此，为有效提高测试效率和自动化水平，设计实现了基于GP-IB的测试数据采集处理系统，为加速度计的稳定性分析、精度分析和性能评估及预测提供了理论基础。

1 数据采集系统的组成及工作原理
数据采集是将加速度计的输出经过适当转换后，经信号调理、采样、量化等步骤送到主控计算机进行数据处理的过程。由于对加速度计的精度要求越来越高，相应地，对其数据采集系统的设计也提出了很高的要求，其诸多性能参数的测试也必须在稳定的环境中经过严密地检测过程来完成。
1．1 数据采集方案
对于石英挠性加速度计，它是典型的模拟反馈加速度计，通常以电流或电压的方式输出，其标定测试主要是测量反馈回路的电流信号，但反馈电流信号比较弱，精确采集比较困难。一般高精度的惯导系统对加速度计的精度要求要达到10-5g，这样就需要转换器的精度要达到10-6g。目前对于模拟反馈加矩方式的加速度计，若采用常规的A／D转换技术采集，A／D板的转换位数需达到24位(分辨率1／224)。但当转换速度很快时，在低端精度会有所损失，达不到24位的标准，这使其在转换过程中的速度、量程以及精度不能同时兼顾。
目前，对加速度计的测试通常采用基于PC104总线的测试系统，或者基于PXI总线技术的测试系统。前者的优点在于，能同时进行多通道测量，测量速度快，容易实现加速度计的动态误差系数标定；后者优点在于通用性强，模块化程度高，软件编程兼容性好。但是两者都存在一定的缺点：基于PC104总线的测试方案需要采用高精度的模数转换板，并且要增加相关的信号调理电路；而基于PXI总线技术的测试方案成本较高。目前，随着总线技术的日趋成熟，由于接口编程方便、开发使用灵活，CPIB通用接口总线成为了目前应用较为广泛的测试总线。基于上述原因，为有效提高测试效率和自动化水平，设计采用基于GPIB总线的加速度计自动化测试系统。
1．2 系统硬件组成
如图1所示，设计的加速度计测试系统主要由工控机、GPIB接口控制器、数字多用表、多通道切换系统和PCL720+数据采集卡等部分组成。

其中，GPIB总线是一个数字化24脚并行总线，采用8位并行、Byte串行、异步通信方式，所有Byte通过总线顺序传送。在应用中，各种具有GPIB总线接口的电子设备均可连接到GPIB总线，由计算机担任整个总线的信息分配和控制。多通道切换系统用于实现对多个通道信号的测量，GPIB接口控制器实现对数字多用表的控制，从而完成对加速度计输出参数的实时测试。工控机作为硬件平台，所有的测试板卡都安装在工控机插槽上，在计算机上安装每个板卡对应的驱动程序，利用工控机的功能，可以构建整个测试系统，完成信号采集、任务管理等功能。测试设备HP34401A是HP公司开发的一种6位半的高精度数字万用表，可以进行手动测试或自动测试。HP34401A是可程控的高精度数字万用表，可通过嵌入到VC中的SCPI指令进行通讯和测量。它带有通用的GPIB和RS232标准接口，可以在计算机的控制下进行各种高精度的测量。南于石英挠性加速度计输出的信号一般是电流信号，为利用数字多用表技术，在加速度计的输出端接入一精密采样电阻实现微小信号的精确测量。另外，由于数字万用表一般只有一路测试通道，而在加速度计测试时，经常需要同时对多路信号进行测量，为此设计了多通道切换系统，使一台数字万用表能够分时对几路信号进行测量，其构成如图2所示。

测试信号经过电压跟随器后进入多路复用器进行分时切换，使某一时刻只有一路信号能通过与数字万用表的接口传递给数字万用表。电路由与通过通信端口与计算机相连的单片机进行控制，它能根据计算机发出的信号控制多路复用器，实现通道选择和对切换时间的控制。
系统的测量精度主要决定于数字多用表的精度，测量速度取决于数字多用表扫描频率。这种方案的主要优点是利用了台式仪表的噪声抑制技术，测量精度高；缺点是测量速度慢，而且对多通道是串行测量，但该测试系统在加速度计性能参数采集处理中的应用表明：速度完全满足系统的要求。